1、摘 要光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。光纖通信具有通信容量大、傳輸速率高、使用壽命長，等諸多特點。因而得到了普遍的應運，其中光放大器是光纖系統中的重要組成部分。光纖放大器是指運用于光纖通信線路中，實現信號放大的一種新型全光放大器。本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關理論。首先對光纖放大器的種類進行大致的簡介，其次闡述了摻鉺光纖放大器的歷史和發展，以與對摻鉺光纖放大器工作原理進行了介紹又介紹了仿真軟件Optisystem的使用與功能。重點關注了摻鉺光纖放大器的放大過程以與對摻餌光纖放大器各信道增益不平坦問題進行了初步研究并分析。關鍵字：Optisystem；光纖通信；摻鉺光

2、纖放大器AbstractOptical fiber communication uses optical fiber to transmit information in order to achieve the purpose of communication. Optical fiber communication owns some advantages such as, the communication capacity, high transmission rate, long service life and so on. So it is widely used in opti

3、cal amplifier and it is an important part of optical fiber systems. Fiber amplifier is a kind of signal amplifier, which is used in optical fiber communication lines to achieve a novel all-optical.This paper introduces a theory of erbium doped fiber amplifier. First, it is introduce the kinds of fib

4、er amplifier.Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbium-doped fiber amplifier.The functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erbi

5、um doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbium-doped fiber amplifier is not flat.Keywords: Optisystem;Optical fiber communication; Erbium-doped fiber amplifier目 錄1 緒論11.1 光纖通信系統中放大技術11.1.1 光纖放大器的分類11.1.2 半導體光放大器21.1.3 光纖放大器41.2 摻鉺光纖放大器的發展歷史41.3 EDFA的發展方向52

6、 EDFA在密集波分復用系統中應用72.1 波分復用（WDM）的基本概念72.1.1 波分復用系統的組成72.1.2 EDFA在WDM系統中的應用82.1.3 WDM系統對EDFA的要求82.1.4 密集波分復用（DWDM）原理概述102.2 EDFA在密集波分復用（DWDM）系統中應用的分析112.2.1 EDFA在DWDM系統中的作用和應用方式112.2.2 DWDM中對EDFA的主要性能要求133 光通訊系統和放大器設計軟件OptiSystem153.1 獨特優勢153.2 應用領域153.3 功能說明164 摻鉺光纖放大器的工作原理與放大分析194.1摻鉺光纖放大器的介紹194.1.1

7、 EDFA的放大原理204.1.2 EDFA的基本性能214.2 EDFA的放大設計214.2.1 模型設計布局圖214.2.2 研究分析224.3 EDFA的優缺點314.4 EDFA的主要應用形式334.5 EDFA的增益特性33結 論36致 37參考文獻38附 錄39附錄 A 英文原文39附錄 B 中文翻譯4853 / 571 緒論1.1 光纖通信系統中放大技術1.1.1光纖放大器的分類光放大器的開發成功與其產業化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大促進了光復用技術、光孤子通信以與全光網絡的發展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換與電光變換

8、，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現光信號放大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器以與半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶，摻銩光纖放大器的增益帶是S波段；摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發生非線性效應喇曼散射。在不斷發生散射的過程中，把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說

9、是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但產量很小。 迄今為止的光纖通信系統，為了拓長通信距離都需在通信線路中設置一定數量的中繼器，以便使衰減的光信號強度得到補充。而中繼器無一例外都是采用光 電光的轉換方式。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如使得成本高，系統復雜，可靠性降低等。于是，人們設想，是否用光放大器直接進行光信號放大，以實現全光通信。經過多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問世了。在光通信技術的發展進

10、程中，不斷取得新的突破，其中尤以光放大器，特別是摻鉺光纖放大器（EDFA）的發明最為激動人心。它使光通信技術產生了革命性的變化：用相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統中傳統使用的復雜昂貴的光電光混合式中繼器，從而可實現比特率與調制格式的透明傳輸， 升級換代也變得十分容易， 尤其是性能十分優秀的 EDFA 與 WDM 技術的珠聯璧合，奠定了高速大容量WDM 光通信系統與網絡大規模應用的基礎。光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導體光放大器。光纖放大器又分為兩種，即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規光纖的非線性效應（如受激拉曼散射，受激希里淵散射等）的光放大器1。半導體光放大器主要是半導體

11、激光放大器。1.1.2 半導體光放大器1、半導體光放大器的結構半導體光放大器是一種把發光器件一一半導體激光器結構作為放大裝置使用的器件，因為具有能帶結構，所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外，通過改變所使用的半導體材料的組成可以使波長使用圍超過100nm，這是半導體光放大器的一個突出特點。半導體光放大器由有源區和無源區構成，有源區為增益區，使用Inp這樣的半導體材料制作，與半導體激光器的主要不同之處是SOA帶抗反射涂層，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射涂層就是在端面設置單層或多層介質層。以平面波人射單層介質層時，抗反射膜的條件相對于厚度為1/4波長。實際的放大器，傳輸光是數微

12、米的點光，可以研究假想波導模嚴格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法，也可以采用使端面傾斜的方法和窗結構。把光放大器作為光通信中繼放大器使用，入射光的偏振方向是無規則的，最好是偏振波依賴性小的放大器。為了消除這種偏振波依賴性，可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗應力，以增大TM波增益的應變量子阱結構。目前，實現偏振無關半導體光放大器的方法有很多種，如應變量子阱結構、應變補償結構、同時采用應變量子阱和壓應變量子阱的混合應變量子阱結構等。采用脊型波導結構的應變量子阱光放大器基本結構圖。有源區4C3T采用混合應變量子阱結構，即4個壓應變量子阱，3個應變量子阱，壓應

13、變和應變量子阱之間用與LPN晶格匹配的寬的IaGaAsp壘層隔開上下波導層分別為波長1.15um的IaGaAsP匹配材料包層為p型Inp，接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料，材料的外延法生長過程中，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后，采用標準的光刻、反應離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發、濺射等工藝制作脊型波導結構。2、半導體光放大器的原理半導體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同，其放大特性主要取決于有源層的介質特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數反轉放大發光但發光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導體的發光可根據激發方式的不同分為光致發光、電致發光和陰極發

14、光等。光致發光是指用半導體的光吸收作用來產生非平衡載流子，實際上是一種光向另一種光轉換的過程。電致發光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產生發光，這常借助于PN結來完成。在半導體中電子的能級限制在導帶和價帶兩個帶，在導帶中電子充當移動載流子，在價帶中空穴充當載流子。 半導體在外界激發下，可將價帶中的電子激發到導帶中，同時在價帶中留下空穴，所產生的電子和空穴分別躍遷到導帶底和價帶頂，這一過程只與晶格交換能量而不產生光發射，稱為無輻射躍遷，與此同時，導帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴復合，并同時發射光子，二者形成動態平衡，與熱平衡狀態下的情況不同，這時的電子和空穴為非平衡載流子，載流

15、子的分布不再是費米統計分布。由于電子從導帶底躍遷到價帶頂的時間常數即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數相比相對較長，所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態，對載流子的這種準平衡狀態分別用準費米能級和來表示。半導體的輻射躍遷包括自發躍遷和受激躍遷兩個過程。自發輻射躍遷是指占據高能態的電子可以自發地躍遷到低的空能態與空穴復合，同時發射一個光子，這一過程稱為自發輻射發光受激輻射躍遷是指與一個理想的光子相互作用后導致的受激輻射。這兩個過程類似于摻餌光纖放大器(EDFA)中的自發輻射和受激輻射過程。半導體在外界激勵下會產生非平衡載流子，半導體在泵浦光激勵下怎樣產生光放大為了盡可能簡單，假設半導體在0 K，

16、費米能級在禁帶的中間位置，因此在Ep以下的每個有效能級上被電子充滿，則半導體將吸收子。如果半導體未受光泵浦激勵，則半導體將吸收光子，其實半導體的兩個能帶所扮演的角色類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作用，只是它的能帶比EDFA的能帶更寬。一個帶隙Ex把處在下面的導帶和上面的價帶分開，這樣，從一個能帶轉移到另一個能帶所發生的能量改變至少是Eg，因此，若hvE則半導體吸收光子，當吸收了泵浦光子后就會在導帶中產生電子，而在價帶中留下空穴，然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫，并通過發射一個能量為禁帶寬度能量的光子復合。如果泵浦源的強度越來越大，電子將會趨向于累積在導帶的底部，空穴趨向于累積在價

17、帶的頂部，直到電子空穴對的產生和復合達到動態平衡為止。如果假設帶馳豫過程比帶間復合速率快得多，那么可以利用準費米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數目。于是導帶底和Epn之間的每個態都被添滿，而價帶頂和之間的所有態都是空的，從而實現光放大。通過適當的選擇半導體材料，就可獲得能使發射或吸收波長處于光通信所需要的圍(如1300nm或1550nm)的帶隙。1.1.3 光纖放大器光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創了155

18、0nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統、接入網、光纖CATV網、軍用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器

19、和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發射機側用作功率放大器以提高發射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。1.2摻鉺光纖放大器的發展歷史摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫為EDFA)是90年代開始在光纖傳輸系統中應用的新型器件，它的推廣應用為光纖通信技術帶來了一場革命。摻鉺光纖主要在1.55um波段的應用的有源光纖的研究基礎上發展起來的。前期的工作是研究光纖激光器和研究摻稀土元素光纖，后來發現了在光纖中摻鉺元素能夠實現放

20、大的作用，其工作波長對應于光纖的1.55um傳輸波長，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大器。何謂CATV用摻鉺光纖放大器它的應用狀況如何？在近幾年來，光纖CATV系統特別是1500nm光纖CATV系統包括模擬系統和數字系統在我們國家迅速發展，摻鉺光纖放大器在光纖CATV系統中也得到了廣泛應用。功率放大器是在CATV系統的前端將發射機的輸出光放大后再進行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器與功率分配器也可考慮做成兩段重復使用2。從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補償分支損耗。在光纖傳輸網絡管理中如何實現對摻鉺光纖放大器的監控。光纖放大器作為整

21、個系統的一個功能模塊，納入網管系統的方法一般有兩種：其一是通過光纖放大器的232C接口電路將光纖放大器的性能參數和告警信息傳輸給網管系統，進行統一管理，顯示和處置。其二是由光纖放大器的開關量信息接口向網管系統送開關量信息進行管理顯示。在工程實踐中已采用過這兩種成功的方法。何謂DWDM用增益平坦摻鉺光纖放大器？它的應用狀況如何？采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技術是擴大現有光纖通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纖放大器是DWDM傳輸系統的關鍵部件，可以十分有效地解決由于光波分復用/解復用帶來的插入損耗，使WDM系統的中繼問題變得十分簡單。由于EDFA具有40nm的工作帶寬，它可以同時放

22、大多個波長不同的光信號，因此它可以十分方便地應用于DWDM系統中，補償各種光衰耗。模塊是集成化的摻鉺光纖放大器，如圖1.1所示。圖1.1 EDFA部方塊圖1.3 EDFA 的發展方向EDFA 的發展方向 EDFA 從C波段( conventional band )15301560nm(常規的 ED-FA)向L波段(long wavelength band)15701605nm發展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器 (EDFFA)，帶寬可達75nm；采用碲化物EDFA，帶寬可達76nm；采用增益位移摻鉺光纖放大器(GS-EDFA)，通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數反轉程度，可在15701600nm 波段實現

23、放大，它與普通的EDFA 組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋 C波段和L波段的超寬帶光放大器(UWOA)，可用帶寬80nm，能在單根光纖上放大100多路波長信道；采用常規EDFA和擴帶光纖放大器(EBFA)組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器(DBFA)，工作波長為15281610nm；將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；EDFA 應具有動態增益平坦特性的小型化、集成化方向發展。EDFA是目前與未來一段時間放大器的主要選擇，在骨干網和城域網/接入網中發揮著關鍵性作用。但EDFA級聯噪聲大以與帶寬受限，它與DRA混合使用，在長

24、距離、大容量傳輸中是當前的一種優秀方案。FRA：寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進行色散補償等，必將成為下一代光放大器的主流。城域網/接入網中光放大器目前具有競爭力的技術為Mini EDFA、EDWA 和 SOA 技術，這種低價放大器正在標準化。隨城域網建設的興起，光放大器在低價領域必有一番作為3。2 EDFA在密集波分復用系統中應用2.1波分復用（WDM）的基本概念2.1.1波分復用系統的組成光通信系統可以按照不同的方式進行分類。如果按照信號的復用方式來進行分類，可分為頻分復用系統（FDM-Frequency Division Multiplexing ）、時分復用系統（TDM-Ti

25、me Division Multiplexing）、波分復用系統（WDMWavelength Division Multiplexing）和空分復用系統（SDM-Space Division Multiplexing）。所謂頻分、時分、波分和空分復用，是指按頻率、時間、波長和空間來進行分割的光通信系統。應當說，頻率和波長是緊密相關的，頻分也即波分，但在光通信系統中，由于波分復用系統分離波長是采用光學分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以我們仍將兩者分成兩個不同的系統。波分復用是光纖通信中的一種傳輸技術，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應用的波長圍劃分

26、成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預定波長的光信號。光波分復用的實質是在光纖上進行光頻分復用（OFDM），只是因為光波通常采用波長而不用頻率來描述、監測與控制。隨著電-光技術的向前發展，在同一光纖中波長的密度會變得很高。因而，使用術語密集波分復用（ DWDM-Dense Wavelength Division Multiplexing），與此對照，還有波長密度較低的WDM系統，較低密度的就稱為稀疏波分復用（CWDM-Coarse Wave Division Multiplexing）。這里可以將一根光纖看作是一個“多車道”的公用道路，傳統的 TDM系統只不過利用了這條道路的一條車道

27、，提高比特率相當于在該車道上加快行駛速度來增加單位時間的運輸量。而使用 DWDM 技術，類似利用公用道路上尚未使用的車道，以獲取光纖中未開發的巨大傳輸能力。WDM系統組成。光波長轉換單元（OTU）將非標準的波長轉換為ITU-T所規的標準波長，系統中應用光/電/光（O/E/O）的變換，即先用光電二極管PIN或APD把接收到的光信號轉換為電信號，然后該電信號對標準波長的激光器進行調制，從而得到新的合乎要求的光波長信號。波分復用器可分為發端的光合波器。光合波器用于傳輸系統的發送端，是一種具有多個輸入端口和一個輸出端口的器件，它的每一個輸入端口輸入一個預選波長的光信號，輸入的不同波長的光波由同一輸出端

28、口輸出。光分波器用于傳輸系統的接收端，正好與光合波器相反，它具有一個輸入端口和多個輸出端口，將多個不同波長信號分類開來。光放大器不但可以對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是新一代光纖通信系統中必不可少的關鍵器件。在目前實用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優越的性能被廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統中，作為前置放大器、線路放大器、功率放大器使用。光監控信道是為WDM的光傳輸系統的監控而設立的。ITU-T 建議優選采用1510nm波長，容量為

29、2Mbit/s。靠低速率下高的接收靈敏度（優于 50dBm）仍能正常工作。但必須在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路4。2.1.2 EDFA在WDM系統中的應用EDFA在WDM系統中可以作為前置放大器、線路放大器和功率放大器。EDFA作前置放大器時，放在光接收機之前，以提高光接收機的靈敏度，一般工作于小信號或線性狀態，信號輸入功率約40dBm。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數則越小越好。 EDFA用作線路放大器時，可以直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大器，省去了電中繼器的光電光轉換過程，直接放大光信號，以補償傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近飽和區，信號輸入功率約20dBm

30、。要求EDFA同時具有較高的增益和輸出光功率，還應有對其工作狀態的實時監控。EDFA作為功率放大器時，裝在光發送機之后，對光源發出的光信號進行放大，以補償無源光器件的損耗和提高發送光功率。通常工作于深飽和區，要求EDFA在保持適中的增益和噪聲系數下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時可用雙泵浦。2.1.3WDM系統對EDFA的要求為了確保WDM系統的傳輸質量，WDM系統中使用的EDFA應具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數和高輸出功率。1、 EDFA增益帶寬目前，EDFA可用增益頻譜圍為l530l565nm，增益帶寬為35nm左右，可以滿足432信道的WDM系統。如果希望進一步增大帶寬，以利

31、用波長資源，則必須開發新型的光放大器。2、 WDM系統對EDFA增益平坦度的要求EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個可用增益的帶寬，最大增益波長點的增益與最小增益波長點的增益之差。在WDM系統中，要求EDFA的GF越小越好。一般EDFA在它的工作波段存在著一定的增益起伏，即不同波長所得到的增益不同。雖然增益差值不大，但當多個EDFA級聯應用時，這種增益差值會線性積累，嚴重時，信號到達接收端后，有些高增益信道的接收光功率過大使接收機過載，而某些低增益信道的接收光功率過小而達不到接收機靈敏度。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許圍，放大器的增益就必須平坦。使光纖放大器增益平坦的技術有兩種途徑：一

32、是增益均衡技術；二是光纖技術。（1）增益均衡技術增益均衡技術是利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的增益均衡器來抵消增益的不均勻性，這種技術的關鍵在于放大器的增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦。增益均衡技術可以分為固定式的和動態的。現階段實用化的固定式增益平坦技術主要有光纖光柵技術和介質多層薄膜濾波器技術等。增益均衡用的光纖光柵是一種長周期光纖光柵。其光柵周期一般為數百微米。通過多個長周期的光柵組合，可以構成具有與EDFA增益波長特性相反的增益均衡器。使用該技術，在15281568nm的40nm帶寬，可以實現增益偏差在5以的帶寬增益平坦的EDFA。動態的增益均衡技術是指動態增

33、益可調的增益平坦濾波器技術，主要有法拉第旋轉體型增益可調濾波器技術、波導MZ型增益可調型濾波器技術、陣列波導型動態增益可調濾波器技術和聲光型動態增益可調濾波器技術等。（2）光纖技術所謂光纖技術是指通過改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來改變EDF的特性，從而改善EDFA的增益平坦性。可分為濾波器型和本征型兩類。濾波器型是在EDFA中插無源濾波器將1530nm的增益峰降低，或專門設計其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾波器型結構工藝都較復雜，附加損耗大，輸出功率會減小。本征型是在EDFA中摻入別的雜質(如摻鋁EDFA、摻釔EDFA)或改變EDF基質(如氟化物EDFA、碲化物E

34、DFA)。其最大優點是無需制作和引入附加元件。（3）EDFA增益特性的優化技術。采用放大波段的增益控制和光譜均衡方法，能取得EDFA增益特性優化的良好結果。EDFA的增益控制技術有許多種，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA部的監測電路通過監測輸入和輸出功率的比值來控制泵浦源的輸出，當輸入波長某些信號丟失時，輸入功率會減小，輸出功率和輸入功率的比值會增加，通過反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持(輸出輸入)增益不變，從而使EDFA的總輸出功率減少，保持輸出信號電平的穩定。另外，還有飽和波長的方法。在發送端，除了傳輸信號的工作波長外，系統還發送另一個波長作為飽和波長。在正常情況下，該波長的輸出

35、功率很小，當線路的某些信號失去時，飽和波長的輸出功率會自動增加，用以補償丟失的各波長信號的能量，從而保持EDFA輸出功率和增益保持恒定。當線路的多波長信號恢復時，飽和波長的輸出功率會相應減少，這種方法直接控制飽和波長激光器的輸出，速度較控制泵浦源要快一些。（4）安全要求。在某些情況下，光放大器的輸出功率非常高，可能非常接近光纖安全功率的極限。因此，對于含有光放大器的WDM系統，安全特別重要。ITU-T建議規定：單路或合路入纖最大光功率電平為+17dBm。對鏈路切斷情況下可能引起的強烈“浪涌”效應更應加以重視，必須保證系統能夠與時關閉泵浦源和系統，以防止對系統造成損5。2.1.4密集波分復用（D

36、WDM）原理概述DWDM 技術是利用單模光纖的帶寬以與低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖同時傳輸。與通用的單信道系統相比，密集WDM（DWDM）不僅極提高了網絡系統的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優點，特別是它可以直接接入多種業務更使得它的應用前景十分光明。在模擬載波通信系統中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統的傳輸容量，通常利用頻分復用的方法。即在同一根電纜中同時傳輸若干個頻率不同的信號，接收端根據各載波頻率的不同利用帶通濾波器濾出每一個信道的信號。同樣，在光纖通信系統中也可以采用光的頻分復用的方法來提高系統的傳輸容量。事實上，這

37、樣的復用方法在光纖通信系統中是非常有效的。與模擬的載波通信系統中的頻分復用不同的是，在光纖通信系統中是用光波作為信號的載波，根據每一個信道光波的頻率（或波長）不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，從而在一根光纖中實現多路光信號的復用傳輸。由于目前一些光器件（如帶寬很窄的濾光器、相干光源等）還不很成熟，因此，要實現光信道非常密集的光頻分復用（相干光通信技術）是很困難的，但基于目前的器件水平，已可以實現相隔光信道的頻分復用。人們通常把光信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復用稱為光波分復用（WDM），再把在同一窗口道間隔較小的DWDM稱為密集波分復用（DWDM）。隨著科技的進步，現代的技術已經

38、能夠實現波長間隔為納米級的復用，甚至可以實現波長間隔為零點幾個納米級的復用，只是在器件的技術要求上更加嚴格而已，因此把波長間隔較小的8個波、16個波、32乃至更多個波長的復用稱為 DWDM。ITU-T G.692 建議，DWDM 系統的絕對參考頻率為193.1THz（對應的波長1552.52nm），不同波長的頻率間隔應為100GHz的整數倍（對應波長間隔約為0.8nm的整數倍）。DWDM系統的構成，發送端的光發射機發出波長不同而精度和穩定度滿足一定要求的光信號，經過光波長復用器復用在一起送入摻鉺光纖功率放大器（摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率損失和提高光信號的發送功率），再將放大后的

39、多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經光前置放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后，送入光波長分波器分解出原來的各路光信號6。2.2EDFA在密集波分復用（DWDM）系統中應用的分析2.2.1EDFA在DWDM系統中的作用和應用方式EDFA是目前光放大器市場的主流品種，在DWDM系統、接入網和有線電視領域得到廣泛應用，在CATV系統常作為功率放大器以提高發射機的功率，使發射機覆蓋的用戶數大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器，以補償光分路器與線路損耗，使傳輸距離大大增加。光纖放大器與其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、

40、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統比特率、數據格式無關等特點，它已成為新一代光通信系統的關鍵器件之一。摻鉺光纖放大器用在系統發射機輸出短，提高發送功率，延長傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機前，對信號進行預防大，可提高光接收機靈敏度。應用圍包括干線高速光通信系統、海纜系統、本地網、用戶接入網、摻鉺光纖放大器作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述如下：1.1 摻鉺光纖放大器可用作數字、模擬以與相干光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數字信號還是傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大

41、器線路設備。 1.2 摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。如果需要擴容，由低碼率改變為高碼率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 1.3 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下，直接放大數字、模擬活二者混合的數據格式，特別適合光纖傳輸網絡升級。實現語音、圖像、數據同網傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。1.4 一個摻鉺光纖放大器可同時傳輸若干波長的光信號，即用光波復用擴容時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經過近千公里的傳輸后的誤碼率人能達到。如果采用飽和功率為18dBm的放大器，可是實現160200km無中繼通信。如果有必

42、要，還可將中繼距離延長更遠。 1、前置放大器把摻鉺光纖放大器置于光接收機關監測器前面。來自光纖的光信號經摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測器檢測。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。2、線路放大器把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放大，可以大大延長傳輸距離，也成為中繼放大器。線路放大器的顯著優點是增益高，通常大于30dB。由于可以級聯使用，特別適合海底遠程通信和陸地超長距離傳輸使用。使用線路放大器必須解決遠程監控問題，國際標準化組織已制定出多種監控標準，可以按照標準進行遠程監

43、控。3、用戶接入網中的光纖放大器光纖放大器在用戶接入網中也占有重要地位。在光纖用戶網中，雖然用戶系統的距離較短，但是用戶網的分子太多，光線干線中的光信號功率要進行眾多的分配，甚至是多級進行分配。這樣一來被分配到每個分支獲得光信號就相當的弱，不能保證用戶的終端設備的接收質量。為此，需要將光信號進行放大，這就需要光纖放大器。將光纖放大器置于光發射機后端，以提高入纖的光功率，使整個線路系統的光功率得到提高，以滿足各級需要，這就要用到光纖功率放大器。在用戶網中，當用戶系統距離過長時需要使用線路放大器；為了提高各支路的光功率分配數量，也要使用這類放大器。總之，光線放大器在用戶接入網中主要是提高光信號的功

44、率，即可以補償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數量以與復用密度，對降低用戶網建設成本也會起到很大作用。摻鉺光纖放大器在密集波分復用系統中的應用主要是補償傳輸中的光纖損耗，根據放大器在系統中的位置與作用，可以分成以下三種類型：1.功率放大器（booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對合波以后的多個波長信號進行功率提升，然后再進行傳輸，由于合波后的信號功率一般都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。2.線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較

45、小的噪聲指數，較大的輸出光功率。3.前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，提高接收機的靈敏度（在光信噪比(OSNR)滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數很小，對輸出功率沒有太大的要求7。2.2.2 DWDM中對EDFA的主要性能要求為了滿足在密集波分復用系統中應用的要求，摻鉺光纖放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信號傳輸后最重要的一個指標是光信噪比（OSNR）。摻鉺光纖放大器除了放大輸入的光信號之外，還產生ASE噪聲，可以等效成一個理想的增益為G的放大器，和一個功率為Pase的噪聲源相疊加。

46、對于一個N個放大器的級聯系統，每一級放大器將前一級的ASE噪聲放大G倍，同時疊加上本身產生的ASE噪聲，噪聲逐級積累，于是，光信噪比（OSNR）將逐級劣化。光信噪比定義：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通過提高每個信道的光功率即提高摻鉺光纖放大器的總輸出功率來提高光信噪比，也可以通過降低放大了大自發輻射噪聲（ASE噪聲）來提高光信噪比。對于一個N段光纖的系統，有N+1個光放大器級聯，假設每一級放大器都一樣，每一段光纖損耗都等于放大器的增益，那么，終端的放大了的自發輻射噪聲Pase = F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase隨放大器的級數線性增長，而光纖的損耗是隨著光纖

47、長度增長呈指數增長，根據假設，放大器的增益正好補償光纖損耗，可以得出以下結論：Pase不變時，降低中繼長度（即降低摻鉺光纖放大器增益），增加中繼個數（即增加摻鉺光纖放大器級聯個數），要比增加中繼長度，減少中繼個數傳輸更遠的距離。換一個角度說，傳輸距離一樣的情況下，降低中繼長度，增加中繼個數，要比增加中繼長度，減少中繼個數時有較小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。另外，在系統設計中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數小的摻鉺光纖放大器也是提高光信噪比的一種有效的方法。在密集波分復用系統中為了容納更多的信道，提高系統容量，有兩種方法：一種是降低信道的間隔；另一種是拓展摻鉺光纖放大器的工

48、作波長圍。在拓展工作波長圍的同時，還必須保證在工作波長圍增益平坦，因為摻鉺光纖放大器是級聯使用的，每一級小的不平坦，在多級級聯后，就會變得很不平坦，造成在線路終端的各個信道功率差別太大。摻鉺光纖放大器的增益特性是小輸入光信號增益大，大輸入光信號時增益小，在密集波分復用系統中，如果不對線路光纖放大器的增益進行控制的話，那么，在輸入信道少時（小輸入光信號）的增益要比輸入信道多時（大輸入光信號）增益大，這會造成輸入信道少時，每個信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號足夠大，在光纖傳輸中產生非線性失真。因此，線路放大器必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號和小信

49、號時，增益都是一樣的，即每個信道的輸出光功率在輸入信道增減時都保持恒定。3 光通訊系統和放大器設計軟件OptiSystem在成本效力和生產效率對于成功至關重要的光通訊工業里，獲獎軟件OptiSystem可以在光通訊系統、連接和元件的設計中最小化時間需要和降低成本。OptiSystem是一款新穎的、高速發展的、功能強大的軟件設計工具，能使用戶在從LAN，SAN，MAN到ultra-long-haul的寬光譜光網絡的傳輸層上進行設計、測試和模擬計劃所有類型的光連接。它提供從元件到系統水平在傳輸層光通訊系統設計和預研，同時呈現可視化的分析與特定結果。結合其它Optiwave產品和工業中主要電子設計軟

50、件的工具，使OptiSystem加快您的產品投放市場的速度和減小回報周期。3.1 獨特優勢：提供全面的系統性能洞察；評估參量靈敏度以輔助設計容差規格；為潛在客戶真實呈現設計選項和細節；為廣泛的系統特征參數的設定提供簡單接口；提供自動參數掃描和優化；結合廣泛應用的Optiwave產品。3.2 應用領域：OptiSystem為不斷演化的光子市場提供功能強大容易使用的光系統設計工具，滿足研發科學家、光通訊工程師、系統管理員、學生與各類其它用戶的需要。OptiSystem使用戶可以設計、測試、和模擬：WNM/TDM 或CATV網絡設計，SONET/SDH環設計，發射系統、信道、放大器、和接收系統設計，

51、色散圖設計，評估BER和不同接收模型的系統代價，放大系統BER和連接開支計算。3.3 功能說明：1 Component Library(元件庫)OptiSystem元件庫包含數百給元件，使你可以輸入從實際設備中測得的參數。它結合來自不同廠商的測試測量設備。用戶可以合并新的元件基于子系統和用戶自定義庫，或者利用與第三方模擬工具如MATLAB或SPICE的聯合模擬。2 結合Optiwave軟件工具OptiSystem允許客戶采用特殊的Optiwave軟件工具用于元件層面的集成和光纖光學：OptiAmplifier，OptiBPM，OptiGrating，和OptiFiber。3 混合信號表示（Mi

52、xed signal representation）OptiSystem為元件庫里光信號和電信號處理混合信號方程。OptiSystem采用與模擬精度和效率有關的適當的數值方法計算信號。4 品質和性能運算法則為預測系統的性能，OptiSystem對部信號干涉和噪聲限制的系統采取數值分析或者半分析技術計算參數如BER和Q因子。5 先進的查看工具（Advanced visualization tools）先進的查看工具產生OSA光譜、信號啁啾、眼圖、偏振態、星形圖等等。還包括WDM分析工具列出信號功率、增益、噪聲圖、以與每個信道的OSNR。6 數據監視（Data monitors）你可以選擇元件端口

53、用于保存數據，還可以在模擬終端粘貼監視器（monitors）。這允許在模擬后處理數據而不需要重新計算。你可以連接任意數目的觀察器到同一個端口的監視器上。7 用子系統分等級模擬（Hierarchical simulation with subsystems）為使模擬工具更加靈活高效，有必要提供在不同層面的模擬，包括系統、子系統和元件層面。OptiSystem表現了在元件和系統上真正的分等級定義。使你能夠采用特定的集成光纖光學軟件工具在元件層面上，可以模擬希望的精度標準。8 強大的腳本語言（Powerful Script language）你可以輸入算數表達式作為參數和創建全局參數（采用VB Sc

54、ript語言可以在元件和系統中進行共享）。在使用腳本頁（script page ）時腳本語言可以操作和控制OptiSystem，包括計算、Layout創建和數據處理。9 計算數據流實時查看（State-of-the-art calculation data-flow）計算流程列表通過決定元件模型（根據選擇的數據流模型）的執行系數來控制模擬。主要工作于傳輸層模擬的數據流模型是元件迭代數據流（CIDF）。CIDF主要采用運行時間進程表、支持條件、數據依賴迭代、和真實遞歸。10 報告頁面（Report page）一個用戶定制的報告頁面允許顯示在設計中的設定的任何參數和可用結果。產生的結果可以被表示為

55、大小可調、可以移動的電子列表、文本、2D和3D圖形。它同時包含HTML輸出和帶預先格式化的報告面板的模版。11 材料清單（Bill of materials）OptiSystem提供被設計、安裝的系統的成本分析表。成本數據可以輸出到其它軟件或電子表格中。12 多設計版面（multiple layouts）你可以在同一個項目文件（project file）中創建多個設計，這使得創建和修改變得快速而高效。每一個OptiSystem項目文件（project file）中都可以包含多個設計。設計可以被獨立地計算和修改，但是計算結果可以在不同設計間交叉結合，允許進行比較。13 Optisystem的新特

56、征新版本的OptiSystem在基于FTTx的無源光網絡（PON）、光無線通信（OWC）、和光纖廣播系統（ROF）方面的設計得到了一系列的加強。14 雙向AWG（Bi-Directional AWG）新特征加強了OptiSystem獨特的雙向能力，使PONs的AWG的設計更加容易。15 微波元件（Microwave Components）新的成熟的元件庫里包括180度到90度的混合耦合器，DC阻斷器，功率分束和結合器。一個理想的ROF模擬應用解決方案。16 光纖和放大器（Optical Fibers and Amplifiers）一個新的離散化參數用于寬帶采用信號，為摻雜放大器增益和布里淵計算

57、提供了更好的性能、精度和收斂。四波混頻、布里淵散射模擬、自相位調制、交叉相位調制、和拉曼散射模擬都包含在OptiSystem的光纖模型中。17 自由空間光學（FSO）新特征可以模擬復雜衛星間的通信連接。18 星座和極線圖（Constellation and Polar Diagrams）一個新的OptiSystem中的計算引擎用于估計用戶定義區域和對象的誤碼。先進分析工具組（Advanced Analysis Toolsets）光子全參數分析器同時測量偏振模散射（PMD）和記錄多路徑。這一全面的新特征可以測量插入損耗（IL）、差分群速延遲（DGD）、偏振色散（PDC），消偏率，散射，散射斜度，和群延遲（GD）。19 S參數提取（S-Parameter Extractor）從光發射器到接收器的信號特征可以被提取并輸出為工業標準格式S參數，有益于EDA工具提供綜合S參數支持，這大大縮短了設計周期。4 摻鉺光纖放大器的工作原理與放大分析4.1摻鉺光纖放大器的介紹石英光纖摻稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可構成多能級的激光系統，在泵浦光作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋后則構成光纖激光器。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm與1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿口與其他一些原因，其發展與應用受到限制。EDFA與PDFA的工作波長分別處